旅游越野房車艙本體強度仿真研究

王攀藻

摘 要： 使用ANSYS軟件梁板混合單元對房車艙本體幾何模型建模并進行網(wǎng)格劃分，對艙體在被起吊、運輸、緊急制動和以滑撬支撐四種典型工況下，載荷分布情況、強度仿真結果分析以及對邊界條件的確立，同時對關鍵部位——起吊部位，建立局部實體有限元模型并進行仿真分析。最后將仿真結果與實測結果對比，符合指標要求。通過有限元法建立的艙本體模型和得到的計算數(shù)據(jù)在工程實踐中具有一定的理論意義和使用價值。

關鍵詞： 房車艙本體； 有限元建模； 強度仿真； ANSYS

中圖分類號： TN911.1?34； TP31 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）09?0129?03

Abstract： The plate girder hybrid unit in ANSYS software is used to model the geometrical model of the recreational vehicle cabin structure and divide the gridding. The load distribution condition and strength simulation result are analyzed， and the boundary condition is established under the typical working conditions of vehicle cabin lifting， transportation， emergency braking and skid support. The entity finite element model was established for the craning position， and the simulation analysis for it was conducted. The simulation results are compared with the measured results， which meet the index requirements. The vehicle cabin structure model and calculated data obtained with the finite element method have a certain theoretical significance and application value in the engineering practice.

Keywords： cabin structure of recreational vehicle； finite element modeling； strength simulation； ANSYS

0 引 言

開房車越野旅游在我國已逐漸流行，每年以70%～100%的速度增長，游客對房車艙本體質量提出較高要求。房車車載艙本體是復雜的大型機械設備，工作時它主要承受來自道路及裝載的各種作用，若用經(jīng)典力學方法計算其強度和剛度[1]，則需要做很多的假設和簡化，且力學計算復雜，精度也較差。而有限元方法適合計算大型復雜結構設備，所以其是分析計算房車艙本體在多種工況下強度的一種有效而實用的工具。

本文針對某型號房車艙本體進行有限元建模和計算求解，并對在典型工況下艙體剛強度進行有限元仿真分析[2]，最后進行實測分析。為以后房車艙體的使用、維修、保養(yǎng)和后續(xù)生產(chǎn)研制提供可靠的理論和工程應用支撐。

1 房車艙本體結構

某型號越野房車車載艙體本體由復合大板構成[3]，復合大板的蒙皮材料采用薄而強的鋁合金板，兩板之間由若干根縱橫交錯的方鋼管構成骨架，板與骨架粘接在一起，空隙中填充聚氨酯泡沫材料。整個艙體設計由六塊夾層復合板、滑橇、鑄鋼角件和內(nèi)、外角型件組裝而成。艙體四角立柱均用邊長為40 mm的方形鋼管組焊而成，各門窗采用槽鋼，滑撬使用的材料為冷扎鋼板Q235A，整個艙體外形尺寸為5.8 m×2.1 m×2.2 m。艙體本體結構圖如圖1所示。

2 艙本體有限元建模

用一般的板殼單元無法模擬出艙本體實際情況，采用ANSYS特有的鋪層單元模擬由鋁板和聚氨酯泡沫構成的復合大板[4]，選用梁板單元和實體單元建立艙體本體的有限元模型。艙本體骨架及空調安裝架有限元模型用BEAM188空間梁單元建立[5]。定義各個鋪層的材料特性時，將鋪層疊成疊層板模型，然后計算疊層板的材料特性。對起吊位置的模型建立應用SOLID45實體單元完成。

2.1 材料屬性定義

鋁板：彈性模量泊松比密度屈服強度為250 MPa，抗拉強度為460 MPa。

泡沫：彈性模量密度剪切模量。

Q235A材料：彈性模量泊松比密度抗拉強度為375～460 Mpa，屈服強度為236 Mpa。

50×40等效實體方鋼：彈性模量泊松比密度

50×70等效實體方鋼：彈性模量泊松比密度。

2.2 定義界面參數(shù)建模

房車艙體網(wǎng)格模型如圖2所示，艙體網(wǎng)格各邊或各角相差不大、網(wǎng)格面扭曲小、邊節(jié)點位于邊界等分點附近的網(wǎng)格質量比較好。根據(jù)艙體矩鋼管的界面形狀及大板中鋁板和聚氨酯泡沫的厚度，定義梁單元和板單元的界面參數(shù)及各類邊界條件，艙體模型分網(wǎng)后共有6 946個單元，其中梁單元2 632個，板單元4 314個，節(jié)點6 125個。

3 艙本體剛強度仿真分析

對艙體在起吊、運輸、緊急制動和以滑撬支撐這四種典型工況下的剛、強度仿真進行分析，校核艙體是否達標。

3.1 艙體載荷

（1） 裝載設備對艙體產(chǎn)生的作用，艙體載荷有家具、控制器高壓開關、風機、走線架、變壓器和空調等。

（2） 來自道路的各種作用。

3.2 計算工況和邊界條件確立

（1） 起吊工況，在四個起吊角的位置對艙體進行約束；艙體承受設備的重力載荷。

（2） 運輸工況，在四個支撐角的位置和滑撬位置對艙體進行約束；艙體承受設備的重力載荷。

（3） 緊急制動工況，在四個支撐角的位置和滑撬位置對艙體進行約束，制動加速度為艙體同時承受設備的重力載荷和設備在制動時的慣性載荷。

（4） 以滑撬支撐，在滑撬位置約束艙體，艙體承受設備的重力載荷。

3.3 仿真結果分析

（1） 起吊工況

艙本體最大變形為1.519 mm，發(fā)生位置為底板調制器的安裝位置。對該艙體起吊位置進行簡化后，最大應力為107.172 MPa，最大應力發(fā)生的位置為艙體起吊處，如圖3所示。

由于整個艙體對起吊處模型簡化較大，為得到該處真實的應力分布和變形情況，建立起吊位置局部實體有限元模型。為了約束滑撬和艙體底板連接的面，在起吊處加載吊索對起吊位置施加起吊力。經(jīng)計算分析，該處最大變形為0.029 574 mm，最大應力為57.261 Mpa，起吊位置局部應力分布圖，如圖4所示。

（2） 運輸工況

艙體最大變形為0.669 27 mm，發(fā)生位置為空調的安裝位置，最大應力為24.981 MPa，如圖5所示。

（3） 緊急制動工況

緊急制動艙體本體的最大位移為1.669 mm，發(fā)生位置為空調的安裝位置，最大應力為28.341 MPa。如圖6所示。

（4） 滑橇支撐工況

艙體最大變形為0.677 6 mm，發(fā)生位置為空調的安裝位置，最大應力為24.975 MPa，如圖7所示。

3.4 實測分析

四種典型工況下房車艙體本體剛強度有限元分析計算結果對比[7]見表1。按照仿真結果的試制艙體做各種工況試驗：

公路試驗，裝載艙體的卡車在碎石、混凝土、瀝青三種路面上行駛一定的公里數(shù)，路線包括彎道、鐵路交叉口、拐角和車站等，在交通規(guī)則允許的范圍內(nèi)，卡車以最大速度在特殊路面上行駛。

搓板路實驗，使裝載艙體的卡車以一定的速度在搓板路上行駛，讓艙體產(chǎn)生劇烈震動反應。

緊急剎車試驗，讓裝載艙體的卡車正向和反向行駛，艙體承受3次以上最大氣動剎車。經(jīng)過測試某型號房車艙體符合TP?94?01“運輸性試驗程序”，試驗結果表明艙體和艙體系固組件無任何損壞或故障，說明其各項性能指標均達到標準，符合使用要求。

4 結 論

在分析房車艙體的結構特點上，應用有限元法采用多種單元建立艙體本體有限元模型，并且對艙體結構進行四種典型工況下的強度有限元仿真分析，從而全面掌握艙體本體的應力、應變分布及艙體變形情況。通過對按仿真結果生產(chǎn)的艙體產(chǎn)品進行實際試驗測試，結果顯示艙體剛強度滿足使用要求，為今后高端旅游越野房產(chǎn)艙體的生產(chǎn)、使用和維修奠定了基礎。下一步，還將在極端溫度下對房車艙體強度進行多種工況研究，使艙體滿足各種環(huán)境的使用要求。

參考文獻

[1] 王良模，吳長風，王晨至.基于有限元的特種車輛方艙結構的力學分析[J].機械設計，2009，26（4）：54?56.

[2] 王鐵，徐婧雨.某型方艙的有限元分析[J].科技視界，2015（3）：170.

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[4] 張洪信.有限元基礎理論與ANSYS應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5] 杜平安，甘蛾忠，于亞婷.有限元法：原理、建模及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：103?106.

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